适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器

摘要

一种适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，该箱式加热器包含多通道辊轴，设置在多通道辊轴内侧的内加热罩，设置在多通道辊轴外侧的外加热罩，分别在内加热罩和外加热罩上设置热电偶组，在内加热罩上设置内加热红外线石英灯管，在外加热罩上设置外加热红外线石英灯管。本发明可调且选择范围宽、重复性好、使用寿命长、体积小、低能耗、高效节能，可获得高度均匀的加热效果，结构合理紧凑，温度恒温区面积大，大大提高了加热效率，延长了加热灯管的使用寿命，可满足卷对卷连续化带材的工业化制备的要求，特别是第二代高温超导长带材制备的要求。

权利要求

1.一种适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，其特征在于，该箱式加热器包含多通道辊轴（1），设置在多通道辊轴（1）内侧的内加热罩（2），设置在多通道辊轴（1）外侧的外加热罩（3），所述的内加热罩（2）为圆筒状，所述的外加热罩（3）为圆筒状，该外加热罩（3）的下部具有开口（31）。

2.如权利要求1所述的适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，其特征在于，所述的箱式加热器还包含若干热电偶组（4），该热电偶组（4）分别设置在内加热罩（2）和外加热罩（3）上。

3.如权利要求2所述的适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，其特征在于，所述的箱式加热器还包含若干内加热红外线石英灯管（5）和外加热红外线石英灯管（6），该内加热红外线石英灯管（5）设置在内加热罩（2）上，该外加热红外线石英灯管（6）设置在外加热罩（3）上。

4.如权利要求1所述的适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，其特征在于，所述的多通道辊轴（1）为圆筒状，该多通道辊轴（1）上多次卷绕样品。

5.如权利要求1所述的适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，其特征在于，所述的多通道辊轴（1）、内加热罩（2）和外加热罩（3）的材料是耐高温合金。

6.如权利要求1所述的适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，其特征在于，所述的外加热罩（3）的外侧采用绝热材料包裹。

7.如权利要求1-6中任意一个所述的适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，其特征在于，所述内加热罩（2）、外加热罩（3）和多通道辊轴（1）的直径以及外加热罩（3）下部开口（31）的尺寸与镀膜区的大小相适配。

说明书

适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种箱式加热器，特别是涉及一种适合工业化生产镀膜用的箱式加热器，可广泛应用于高温超导带材、半导体薄膜、光电涂层材料以及其它功能薄膜涂层材料和器件技术领域。属于薄膜涂层材料制备技术中的加热设备，尤其涉及一种第二代高温超导带材制备中的箱式加热器。

背景技术

[0002] 真空薄膜制备技术是当今世界上最重要的技术之一，是指在真空环境中利用物理或化学的方法在工件表面沉积一层具有特殊用途膜层的表面处理方法。它被广泛应用于工业，军工医药，航天，科研等各个领域。到目前为止人们已经发展了几十种薄膜制备技术，例如直流磁控溅射法、脉冲激光法、共蒸发法等等。诸多的制膜方法都需要合适的加热器，为保证工件表面的膜层性能，真空镀膜过程中一般需将工件加热到一定温度，并且温度偏差范围具有严格的要求，因此加热器是制备薄膜涂层材料设备中的关键部分。它关系到薄膜涂层材料的微观结构，进而决定了涂层材料的性能指标。

[0003] 目前，静态真空镀膜工艺中常用的工件加热方法是辐射加热和感应加热。

[0004] 红外辐射加热是通过对电阻比较高的金属发热体，通以大电流，使发热体产生较大的热量，其温度达到1500~2000℃，高温的发热体主要以红外波段热辐射的方式向石墨基座或加热器耐高温基板传递热量。采用电阻加热主要的优点包括结构简单、发热原理简单、温度控制方便等，而且作为传统的加热方式，其技术是十分成熟的。缺点主要有成本高，维护相对困难，且升降温速度相对较慢。真空镀膜过程中一般需旋转工件来提高镀膜的均匀性，而使用该方法加热工件时，工件与热敏电阻固定而无法移动，因而镀膜均匀性不佳。

[0005] 感应加热已经在工业界使用接近80年，高频感应加热器是利用电磁感应原理把电能转化为热能的设备。高频感应加热通过对线圈通以高频变化的电流，线圈内产生极性瞬间变化的强磁束，将金属等被加热物质放置在线圈内，磁束就会贯通整个被加热物质，在被加热物质内部与加热电流相反的方向产生很大的涡电流，由于被加热物质内的电阻产生焦耳热，使物质自身的温度迅速上升。它与传统的加热设备相比具有诸多优点：加热温度高，而且是非接触式加热，这对结构复杂的腔体而言是十分优越的；加热效率高，节能；加热速度快，被加热物的表面氧化少；容易实现自动控制；作业环境好；干净无污染。缺点是有趋肤效应，而且高频磁场会对周围的设备产生影响。

[0006] 连续化动态镀膜工艺中对加热器具有更高的要求。如图1所示，现有的连续化镀膜设备中采用接触型平板式加热器，镀膜工艺中往往需要在一定的氧气氛中进行，所以加热电阻丝由于氧化问题，使用寿命较短。目前。普遍使用密闭的红外石英加热灯管3作为加热源。红外石英加热灯管3位于加热板1背面，以热辐射的方式将加热板1加热到一定温度。金属基带2以多通道的方式紧密接触加热板1下表面。当金属基带2通过加热板1时，加热板1以接触型热传导和热辐射两种方式将热量传递为金属基带2，并使金属基带2达到镀膜所需的基底温度。使用该类敞开式平板加热装置加热样品时，因加热装置中红外石英加热灯管辐射的红外线只有一部分传递给加热板，其他另一部分红外线被浪费，所以红外石英加热灯管本身的加热效率不高。就加热效率而言，由于加热板采用敞开式设计，所以加热板本身的热辐射又会损失大部分热量。最终通过加热板传递给金属基带的热量只占加热器总消耗功率的一小部分。此外，由于金属基带背面与正面所处的温度差别很大，也会造成金属基带内部沿厚度方向具有较大的温度梯度，较难控制温度均匀性。

发明内容

[0007] 本发明提供的一种适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，可为快速制备性能优良均匀性好的薄膜涂层材料提供保证，特别是高质量的第二代高温超导带材，同时在真空、氧气氛下、高温中，加热器自身材料的性能稳定，没有挥发物污染真空室，提高了加热效率和可靠性。

[0008] 为了达到上述目的，本发明提供一种适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，该箱式加热器包含多通道辊轴，设置在多通道辊轴内侧的内加热罩，设置在多通道辊轴外侧的外加热罩。

[0009] 所述的箱式加热器还包含若干热电偶组，该热电偶组分别设置在内加热罩和外加热罩上。

[0010] 所述的箱式加热器还包含若干内加热红外线石英灯管和外加热红外线石英灯管，该内加热红外线石英灯管设置在内加热罩上，该外加热红外线石英灯管设置在外加热罩上。

[0011] 所述的多通道辊轴为圆筒状，该多通道辊轴上多次卷绕样品。

[0012] 所述的内加热罩为圆筒状。

[0013] 所述的外加热罩为圆筒状，该外加热罩的下部具有开口。

[0014] 所述的多通道辊轴、内加热罩和外加热罩的材料是耐高温合金。

[0015] 所述的外加热罩的外侧采用绝热材料包裹。

[0016] 所述内加热罩、外加热罩和多通道辊轴的直径以及外加热罩下部开口的尺寸与镀膜区的大小相适配。

[0017] 本发明与现有技术相比，具有以下优点和技术效果：

[0018] 1、由于采用了半封闭式加热方式，大大提高了加热效率。

[0019] 2、与敞开式平板加热器相比，箱式加热器内部具有更好的温度均匀性。

[0020] 3、与敞开式平板加热器相比，由于不存在边界效应，所以恒温区面积大，加上多通道工艺，大大提高了有效镀膜区面积，从而提高了镀膜速率，适合于工业化镀膜要求；

[0021] 4、由于内、外加热罩可以同时加热金属基带样品的正、反面，所以大大降低了红外线加热石英灯管载荷，增加了红外线加热石英灯管的使用寿命。

[0022] 5、温度可调并且选择范围宽，将敞开式平板加热器的金属带材最大加热温度由o o o o750-800C提高到了900C。控温精度由10C提高到了5C。

[0023] 6、使用该加热器，方便确定薄膜工艺参数，并且具备更好的可重复性，使用寿命长。

[0024] 7、设计更为紧凑，体积小，在同等产能的条件下，可相应减小镀膜真空设备腔体的体积，从而节省了镀膜设备的总体造价，使产品更具成本优势。

附图说明

[0025] 图1是背景技术中的加热装置的示意图；

[0026] 图2是本发明的立体图；

[0027] 图3是本发明的主视图；

[0028] 图4是本发明中多通道辊轴的立体图。

具体实施方式

[0029] 以下根据图2～图4，具体说明本发明的较佳实施例。

[0030] 如图2所示，本发明提供一种适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，该箱式加热器包含多通道辊轴1，设置在多通道辊轴1内侧的内加热罩2，设置在多通道辊轴1外侧的外加热罩3。

[0031] 如图4所示，所述的多通道辊轴1为圆筒状，该多通道辊轴1上多次卷绕样品。

[0032] 如图2和图3所示，所述的内加热罩2为圆筒状。

[0033] 如图2和图3所示，所述的外加热罩3为圆筒状，该外加热罩3的下部具有开口31。

[0034] 如图2和图3所示，所述的箱式加热器还包含若干热电偶组4，该热电偶组4分别设置在内加热罩2和外加热罩3上，该热电偶组4控制内加热罩2和外加热罩３的温度。

[0035] 如图2和图3所示，所述的箱式加热器还包含若干内加热红外线石英灯管5和外加热红外线石英灯管6，该内加热红外线石英灯管5设置在内加热罩2上，该外加热红外线石英灯管6设置在外加热罩3上。

[0036] 所述的多通道辊轴1的材料是ＩＮＣＯＮＥＬ等耐高温合金。

[0037] 所述的内加热罩2和外加热罩3采用耐高温合金材料制作，例如，哈氏合金（Hastelloy）、铬镍铁合金（Inconel）等。

[0038] 所述的外加热罩3的外侧采用绝热材料包裹，例如，氧化铝陶瓷等耐高温绝热材料，以减少热损耗。

[0039] 所述内加热罩2、外加热罩3和多通道辊轴1的直径以及外加热罩3下部开口31的尺寸与镀膜区的大小相适配。加热器尺寸与镀膜设备真空腔体大小相关。一般情况下，若多通道辊轴1的长度为1米，直径为20厘米，镀膜恒温区长度，即外加热罩下部开口31尺寸为：50厘米长，10厘米宽。

[0040] 所述多通道辊轴1上多次卷绕样品，转动样品，使样品以设定的速度行走，经过外加热罩下部开口暴露出的镀膜区，这样不但可以增加镀膜速率，而且可以保证薄膜的均匀性，内加热红外线石英灯管５将电能转化为热能，一部分热能直接传给多通道辊轴1上的样品背面，一部分热能经过内加热罩2的反射再传给多通道辊轴１上的样品的背面，外加热红外线石英灯管６同样将电能转化成热能，一部分热能直接传给多通道辊轴1上的样品的正面，一部分热能经过外加热罩３的反射再传给样品的正面。多通道辊轴两端固定在耐高温轴承支架上。

[0041] 实施例一

[0042] 一种适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，该箱式加热器包含多通道辊轴1，设置在多通道辊轴1内侧的内加热罩2，设置在多通道辊轴1外侧的外加热罩3。分别在内加热罩2和外加热罩3上设置热电偶组4。在内加热罩2上设置内加热红外线石英灯管5，在外加热罩3上设置外加热红外线石英灯管6。

[0043] 将该箱式加热器放置在连续脉冲激光沉积设备中，多道缠绕好样品，设定样品的温度为800℃，开启加热装置和激光器，并与背景技术中的加热装置进行了对比，等温度到达设定值后，开始镀同样厚度的高温超导薄膜。

[0044] 实验表明：传统的加热装置中红外线石英加热灯管需要90%以上的加热负荷功率才能达到设定温度，而本发明的加热装置只需要40-50%的加热功率即可达到设定温度，并且恒温区加大，镀膜速度提高3倍。

[0045] 实施例二

[0046] 一种适合于卷对卷连续化带材制备工艺的箱式加热器，该箱式加热器包含多通道辊轴1，设置在多通道辊轴1内侧的内加热罩2，设置在多通道辊轴1外侧的外加热罩3。分别在内加热罩2和外加热罩3上设置热电偶组4。在内加热罩2上设置内加热红外线石英灯管5，在外加热罩3上设置外加热红外线石英灯管6。

[0047] 将该箱式加热器放置在连续磁控溅射设备中，多道缠绕好样品，设定样品的温度为750℃，开启加热装置和溅射电源，并与背景技术中的加热装置进行了对比，等温度到达设定值后，开始镀同样厚度的氧化铝薄膜。

[0048] 实验表明：传统的加热装置中红外线石英加热灯管需要70%以上的加热功率才能达到设定温度，而本发明的加热装置只需要30%的加热功率即可达到设定温度，因而大大提高了热能的利用率，并且增加了石英灯管的使用寿命。

[0049] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。